鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：655次 | 2018年12月22日
燃料電池應(yīng)和純電動互為補(bǔ)充嗎
2014年，當(dāng)中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)還深陷純電動與混合電動的路線之爭，豐田已經(jīng)開始在日本市場投放氫燃料電池車。
現(xiàn)在，經(jīng)過多年舉全國之力發(fā)展新能源，中國已經(jīng)連續(xù)5年成為全球最大的新能源汽車市場。12月15日，前科學(xué)技術(shù)部部長萬鋼在人民日報發(fā)表文章指出，要加大對燃料電池發(fā)動機(jī)的研發(fā)力度，攻克核心技術(shù)、基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵部件難關(guān)?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要系統(tǒng)推進(jìn)燃料電池汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，到2020年實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。
隨著市場的成熟，補(bǔ)貼政策正逐步退坡，而在這一過程中，優(yōu)惠政策已經(jīng)默默向燃料電池車傾斜。
伴隨產(chǎn)業(yè)熱度上升，一系列追問也隨之而來。燃料電池汽車是否會全面取代純電動汽車的市場地位？燃料電池汽車是否是解決能源、環(huán)保問題的終極方案？如果是，何以至今未能開展市場化推廣？是受制于安全因素？中國是否有必要推進(jìn)燃料電池的廣泛應(yīng)用？
鳳凰網(wǎng)汽車《趙福全研究院》第十二季，清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院院長趙福全與同濟(jì)大學(xué)校長助理、新能源汽車與動力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室主任余卓平教授圍繞燃料電池汽車的前景、瓶頸以及氫作為能源和儲能載體為我國能源結(jié)構(gòu)帶來何種影響等重大問題展開討論。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
精彩觀點(diǎn)摘要：
氫氣安全性并不比汽油差
在汽車上使用氫氣與使用汽油相比，前者的安全性并不比后者差，車輛運(yùn)行過程中是能夠確保氫氣安全使用的。真要是發(fā)生泄漏事故，汽油是彌漫性的，非常危險，而氫氣不是這樣。
燃料電池成本高昂的原因
目前燃料電池是很貴的，貴的原因主要是因?yàn)檫€沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。降低燃料電池成本也有不少難點(diǎn)：例如，氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)需要貴金屬催化劑；燃料電池的性能衰減。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
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應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
液態(tài)儲氫也是一個研究方向燃料電池對進(jìn)氣純度的要求很高，同時，還要求在無油潤滑的條件下實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，高效、“無油化”的空氣壓縮機(jī)是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。從氫氣儲存的角度看，目前車載儲氫所采用的氣態(tài)儲存密度較低，所以液態(tài)儲氫也是一個研究方向。
燃料電池汽車有望率先普及的應(yīng)用場景
燃料電池汽車和純電動汽車并不是競爭關(guān)系，而是互為補(bǔ)充。在中小型乘用車堅持以純電動為新能源汽車發(fā)展方向的同時，大型商用車領(lǐng)域完全可以優(yōu)先發(fā)展燃料電池汽車。
氫氣是非常好的儲能載體
在二次能源結(jié)構(gòu)里，氫能是可以和電能形成天然互補(bǔ)的能源載體。中國的可再生能源很豐富，現(xiàn)在的問題在于電能的儲存很困難，導(dǎo)致很多清潔的光電和風(fēng)電都白白浪費(fèi)了，而氫氣恰恰是非常好的儲能載體。
氫被歸類于危險化工品
氫氣有時候不是作為能源、而是作為化工品被看待，這是全世界的普遍狀況，在中國更為突出。按照現(xiàn)在的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，氫氣只能在化工區(qū)使用，因?yàn)樗粴w類于危險化工品。
中國發(fā)展氫能的迫切之處
第一，中國能源需求正在持續(xù)快速增長。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提升，中國的能源需求將不斷增長，亟需緩解傳統(tǒng)能源壓力，以新的能源形式補(bǔ)足缺口；第二，中國當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)是以煤為主，結(jié)構(gòu)過于單一，而且面臨高碳壓力。
氫氣的能源定位需要國家戰(zhàn)略支持
目前加氫技術(shù)和加氫站建設(shè)技術(shù)都已經(jīng)成熟，但是加氫站的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全。我國只有在國家戰(zhàn)略層面上明確氫氣的能源定位，才能在法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)層面上有所發(fā)展和突破，從而最終解決加氫站建設(shè)的難題。
以下為現(xiàn)場采訪實(shí)錄：
趙福全：鳳凰汽車的各位網(wǎng)友，大家好！歡迎來到鳳凰汽車“趙福全研究院”高端對話欄目。我是本欄目的主持人、清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院院長趙福全。今天我們非常榮幸地請到了同濟(jì)大學(xué)校長助理、新能源汽車與動力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室主任余卓平教授。余老師，請和網(wǎng)友們打個招呼。
余卓平：各位網(wǎng)友好！
趙福全：余老師，您從事新能源汽車相關(guān)研究工作已有20余年，是中國新能源汽車發(fā)展的親歷者和參與者，也是本領(lǐng)域主要的學(xué)者之一。特別值得一提的是，您在同濟(jì)大學(xué)輔助當(dāng)時擔(dān)任校長、后來擔(dān)任科技部部長的萬鋼（現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主席），直接參與了很多重要的國家新能源項(xiàng)目，可以說為中國新能源汽車的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。
很多人以為新能源汽車就是指純電動汽車，實(shí)際上中國把純電動汽車、燃料電池汽車以及插電式混合動力汽車都定義為新能源汽車。今天主要想和您談?wù)勅剂想姵仄?。燃料電池汽車從之前的很少有人問津到現(xiàn)在的備受關(guān)注，產(chǎn)業(yè)熱度正在不斷升溫。那么，燃料電池汽車究竟是怎樣一種產(chǎn)品？請您和網(wǎng)友做個簡單的科普，給大家介紹一下燃料電池汽車的基本工作原理。
余卓平：本質(zhì)上，燃料電池與我們現(xiàn)在電動車上使用的動力電池完全不同。常規(guī)的動力電池能夠把電能儲存在其中，使用的時候再把電能釋放出來。而燃料電池實(shí)際上相當(dāng)于是一個發(fā)電機(jī)，其工作原理是電解水的逆過程。電解水是把水中的氫元素和氧元素分解開，這個化學(xué)反應(yīng)是可逆的。如果讓氫氣和氧氣發(fā)生化合反應(yīng)生成水，在反應(yīng)過程中就會產(chǎn)生電子流動從而形成電流，燃料電池就是這樣一個發(fā)電裝置。簡單來說，燃料電池的工作原理就是將氫氣作為燃料，與空氣里的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行發(fā)電。從概念上講，氫氣和燃料電池的關(guān)系就像煤炭和燃?xì)廨啓C(jī)、石油和發(fā)動機(jī)的關(guān)系。
燃料電池的一大優(yōu)點(diǎn)是其環(huán)保特性。實(shí)際上，全球能源發(fā)展的總體趨勢就是一個“減碳加氫”的過程——能源載體從柴草到煤炭、到汽柴油、再到天然氣，可以看到這些能源載體中的碳元素越來越少，氫元素越來越多?，F(xiàn)在全球都在致力于低碳發(fā)展，但目前所使用的主要能源的含碳量依然普遍較高。按照“減碳加氫”的理念，很多人認(rèn)為氫氣是未來的終極能源。需要注意的是，這不是指未來全球只用氫能源，而是從“脫碳”的角度來講，“脫碳”到極致就沒有碳元素，只剩下氫元素了，也就是說氫氣代表著“脫碳加氫”的極致狀態(tài)。
趙福全：您談到燃料電池的工作原理是氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流而輸出電能。那么作為動力系統(tǒng)，燃料電池的結(jié)構(gòu)是怎樣的？動力輸出是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
余卓平：燃料電池與發(fā)動機(jī)工作原理不一樣，不過在結(jié)構(gòu)上又有很多類似的地方。發(fā)動機(jī)是一個完整的動力裝置，燃油在發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒，產(chǎn)生爆炸力推動活塞和連桿運(yùn)轉(zhuǎn)，將力轉(zhuǎn)化成扭矩。而燃料電池不是一個完整的動力系統(tǒng)，它只是一個發(fā)電機(jī)。當(dāng)燃料電池作為汽車動力源的時候，還需要電動機(jī)的配合，由電動機(jī)把電能變成扭矩。也就是說，燃料電池加上電動機(jī)，才是一個完整的動力裝置。
在汽車業(yè)內(nèi)，我們常說燃料電池和發(fā)動機(jī)很像，甚至把它稱為“燃料電池發(fā)動機(jī)”。有些人不理解，說燃料電池明明是發(fā)電機(jī)，為什么叫“燃料電池發(fā)動機(jī)”？這是因?yàn)樵谲囕v工程領(lǐng)域的“燃料電池”，指的就是由燃料電池和電機(jī)組合而成的動力系統(tǒng)，從整個系統(tǒng)看，它確實(shí)相當(dāng)于發(fā)動機(jī)。
其實(shí)，發(fā)動機(jī)在本質(zhì)上也是一個化學(xué)反應(yīng)的裝置，除了產(chǎn)生能量的燃燒室以外，還有空氣供給系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等。而在燃料電池里也有類似的這三套系統(tǒng)，燃料電池也需要燃料系統(tǒng)，不同的是它的燃料是氫氣而不是燃油；同時也需要有空氣供給系統(tǒng)，不只是進(jìn)氣，燃料電池也會排放尾氣，不同的是排放出來的氣體遠(yuǎn)比發(fā)動機(jī)尾氣清潔；此外也一樣需要熱管理系統(tǒng)。所以從車用動力源的角度來看，燃料電池和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，除了燃燒和發(fā)電的環(huán)節(jié)不一樣，其他部分基本一致。
趙福全：您剛才提到燃料電池時，總是限定于氫燃料電池，為什么一定要把“氫”和“燃料電池”綁定呢？燃料電池不能使用其他種類的燃料嗎？
余卓平：燃料電池的屬性與所使用的燃料密切相關(guān)，車用燃料電池的主要能源就是氫氣。就像發(fā)動機(jī)分為汽油機(jī)和柴油機(jī)一樣，燃料電池也有很多種類。其中一類叫質(zhì)子交換膜燃料電池，這種燃料電池的結(jié)構(gòu)極其簡單——兩塊極板中間夾一張質(zhì)子交換膜，就組成了一個燃料電池單體，很多個單體組合在一起，就是一個電堆。質(zhì)子交換膜燃料電池利用氫氣和氧氣反應(yīng)直接發(fā)電。
燃料電池中還有其他很多種類，例如固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等，固體氧化物燃料電池不但可以用氫氣作為燃料，還可以“吃粗糧”，也就是可以用天然氣、甲醇等作為燃料。因?yàn)樗茉诟邷叵掳烟細(xì)浠衔锓纸猱a(chǎn)生氫氣，所以理論上只要燃料含有氫元素就可以用于固體氧化物燃料電池。
不過，目前車用燃料電池的主流還是質(zhì)子交換膜燃料電池，因?yàn)檫@類燃料電池使用純氫作為燃料，排放零污染，這一點(diǎn)與汽車追求零排放的目標(biāo)是契合的。如果使用固體氧化物燃料電池，以甲醇或天然氣作為燃料時，那就和傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)一樣有溫室氣體和污染物排放，因此還要開發(fā)相應(yīng)的排氣凈化處理裝置。
趙福全：余老師剛剛和大家分享了燃料電池的基本工作原理，其核心部件是一個化學(xué)反應(yīng)的發(fā)電裝置，再與電機(jī)等其他零部件組合在一起構(gòu)成動力源?；氐轿覀兤嚠a(chǎn)業(yè)，燃料電池是什么時候開始應(yīng)用的？
余卓平：對汽車產(chǎn)業(yè)而言，我們接觸到的燃料電池主要都是車用燃料電池。其實(shí)燃料電池研究是從電化學(xué)領(lǐng)域起步的，最初是電化學(xué)科學(xué)家研發(fā)出了燃料電池。而且燃料電池的使用最早也不是在汽車領(lǐng)域，而是在航天領(lǐng)域，為了能使衛(wèi)星運(yùn)行的時間更長，需要一個儲能密度高的裝置作為動力源，燃料電池能夠滿足這個需求，因此得以在航天領(lǐng)域應(yīng)用。而汽車工程師們的貢獻(xiàn)就是把這個科研成果變成了一個可用于車輛的產(chǎn)品。
燃料電池在道路交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用可以追溯到上個世紀(jì)末。1994年，戴姆勒（當(dāng)時稱戴姆勒-奔馳）公司發(fā)覺燃料電池是未來車用動力一個非常好的方向，就開發(fā)出全球第一輛燃料電池汽車。當(dāng)時那輛汽車的外觀類似于金杯那樣的小面包車，前面有駕駛座和副駕駛座，車廂內(nèi)其他空間全部是燃料電池裝置，包括儲存的氫氣和氧氣，這套裝置塞滿了車輛后部空間。三年后，戴姆勒公司對這套裝置進(jìn)行了小型化改進(jìn)，把燃料電池系統(tǒng)成功裝到了A級轎車?yán)?，而且能保證五個座位的空間，不足的是這輛車沒有行李廂，這就是當(dāng)年燃料電池汽車起步時的情況。
趙福全：這么說來，燃料電池汽車的歷史并不長。那么，目前全球車用燃料電池技術(shù)進(jìn)展到了什么程度？其產(chǎn)業(yè)化情況以及競爭態(tài)勢又如何呢？
余卓平：燃料電池在汽車上使用的歷史雖然很短，只有二十多年，但是進(jìn)步非?？?。燃料電池未來的發(fā)展，不僅取決于其排放的清潔性，也取決于其成本。目前燃料電池是很貴的，貴的原因主要是因?yàn)檫€沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。展望未來，大家普遍認(rèn)為車用燃料電池將是一套低成本的動力裝置。
對燃料電池未來成本持樂觀看法的原因之一，是燃料電池的零件數(shù)量很少，僅是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的百分之幾，一旦大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化就可以顯著降低成本。原因之二，在于燃料電池性能衰減和壽命問題的攻關(guān)已經(jīng)初見效果。二十年來，工程技術(shù)人員一直在致力于攻關(guān)燃料電池的性能衰減和壽命難題。燃料電池剛被研發(fā)出來時，運(yùn)行2000小時，其性能就會出現(xiàn)大幅度衰減。曾經(jīng)我們提出的研發(fā)目標(biāo)是使燃料電池的壽命超過5000小時，而目前通過持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)，公交車上燃料電池的使用壽命已經(jīng)超過10000小時了。
當(dāng)然，降低燃料電池成本也有不少難點(diǎn)。主要是氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)需要催化劑，按現(xiàn)在的技術(shù)水平，催化劑只能使用一些貴金屬，比如鉑。鉑是稀有金屬，成本高昂。雖然經(jīng)過二十年的發(fā)展，燃料電池中鉑的用量已經(jīng)大幅下降，但成本仍然較高。目前在一些小批量商業(yè)化的燃料電池汽車上鉑用量約為0.3g/kW，按此估算，對于100kW的電堆，需要使用30克鉑，而二十年前同樣功率的電堆，鉑用量是這個數(shù)字的5倍以上。
目前實(shí)驗(yàn)室做出的燃料電池鉑用量可以達(dá)到0.1g/kW的水平，這是什么概念呢？傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)汽車通常有兩個地方要用到鉑，一個是在尾氣排放裝置中用來凈化有害物質(zhì)，另一個是汽油機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)里的點(diǎn)火觸點(diǎn)。當(dāng)燃料電池的鉑用量下降到0.1g/kW時，就和汽油機(jī)的鉑用量基本相當(dāng)了。從這個角度講，大家還是應(yīng)該有信心，未來燃料電池成本不會居高不下。只是在沒有大批量產(chǎn)業(yè)化之前，預(yù)期成本都是估算出來的，真正的成本還需要在產(chǎn)業(yè)化過程中才能確定。
提到成本，我還想說一個觀點(diǎn)。很多人都誤認(rèn)為汽車沒什么技術(shù)含量，覺得汽車技術(shù)相對于特種航天技術(shù)來說太普通、太簡單了。但實(shí)際上，汽車核心技術(shù)絲毫不亞于特種航天技術(shù)，在某些方面，對汽車技術(shù)的要求甚至高于特種航天領(lǐng)域。一方面，對汽車產(chǎn)品性能的要求并不低于特種航天產(chǎn)品，因?yàn)槠囆枰獫M足各種截然不同的使用條件；另一方面，汽車技術(shù)在成本方面的要求遠(yuǎn)高于特種航天技術(shù)，一旦成本高了，汽車就賣不出去了。作為大眾化的商品，汽車要在大規(guī)模生產(chǎn)中確保性能和降低成本，這一點(diǎn)與特種航天產(chǎn)業(yè)不同。在特種航天領(lǐng)域，無論是大型客機(jī)，還是火箭、衛(wèi)星，成本都不是最主要的考慮因素。最終，花費(fèi)一兩年的時間，使用最好往往也最貴的零部件，只要把衛(wèi)星成功送上軌道，就圓滿完成任務(wù)了。而車企的生產(chǎn)流水線上，每天都有幾百輛甚至成千上萬輛汽車下線，每一輛汽車都要保證良好質(zhì)量和低廉成本，還要保證能夠穩(wěn)定使用10-20年，這是非常難的。
下面講講燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展和企業(yè)競爭的情況，這些年來全球燃料電池汽車的發(fā)展經(jīng)歷了幾起幾落。上個世紀(jì)燃料電池汽車發(fā)展伊始，業(yè)界非常興奮，出現(xiàn)了第一波熱潮，持續(xù)了近十年時間。到90年代末，燃料電池技術(shù)領(lǐng)先的兩大汽車公司，一個是德國的戴姆勒，另一個是美國的通用，這兩家公司走在了世界前列。但是在奧巴馬政府上臺后，美國就暫停了對燃料電池的研發(fā)和關(guān)注。奧巴馬政府對燃料電池的發(fā)展前景有較大的質(zhì)疑，認(rèn)為動力電池才是未來汽車動力源的主要方向，因此就把燃料電池的研發(fā)擱置了。當(dāng)時，受美國的影響，中國在燃料電池方面的投入也較少，沒有太多發(fā)展。
這個過程中有一件事讓我印象深刻：戴姆勒公司的一位技術(shù)主管曾跟我講，在混合動力上，我們輸給了日本，但是在燃料電池方面，我們絕對不會再輸給日本。前面提到，戴姆勒是第一家做出燃料電池汽車的公司。在2010年左右，戴姆勒曾經(jīng)做過一個“燃料電池汽車全球行”的活動，把他們最新研發(fā)的燃料電池汽車帶到全球各地，也包括中國，進(jìn)行示范運(yùn)營。那個時候，戴姆勒可謂信心滿滿，計劃到2014年實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的商業(yè)化。結(jié)果活動結(jié)束后不到一年，戴姆勒就宣布調(diào)整計劃表，改為到2017年以后實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車商業(yè)化?，F(xiàn)在看來，他們的進(jìn)度還是落在日本車企后面了。
雖然在燃料電池汽車發(fā)展初期，日本車企并沒有太多建樹，但是他們一直孜孜不倦地堅持投入，到2014年，日本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車商業(yè)化并正式對外銷售，一舉成為全球燃料電池技術(shù)領(lǐng)先的國家。日本豐田的燃料電池車型Mirai，更帶動了新一輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱潮。目前Mirai的售價大概在5萬美元左右，折算成人民幣就是三十幾萬元。這個價格要比特斯拉的電動車便宜，在運(yùn)行中也更節(jié)能，無論是售價還是續(xù)駛里程都更有優(yōu)勢。由此也讓大家看到了燃料電池汽車的發(fā)展?jié)摿?，近期中國對燃料電池的期望也在逐步提高?/p>
